儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的研究進展

駱妮，李建林

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市昌平區(qū)102206；2.中國電力科學研究院，北京市海淀區(qū)100192）

近幾十年來，電能存儲技術(shù)的研究和發(fā)展一直受到各國能源、交通、電力、電訊等部門的重視。電能的存儲是伴隨著電力工業(yè)發(fā)展一直存在的問題，其實到現(xiàn)在為止也沒有一種非常完美的儲能技術(shù)，但經(jīng)過幾代科學家的努力，一些比較成熟的儲能技術(shù)在各行各業(yè)發(fā)揮著重要的作用。儲能的優(yōu)點有很多，節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟。比如火電廠要求以額定負荷運行，以維持較高的能源轉(zhuǎn)換效率和品質(zhì)，但用電量卻隨時間變化，如果有大容量、高效率的電能存儲技術(shù)對電力系統(tǒng)進行調(diào)峰，對電廠的穩(wěn)定運行和節(jié)能是至關(guān)重要的。另外，由于分布式發(fā)電在電網(wǎng)中所占的比例越來越高，基于系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的考慮，分布式發(fā)電系統(tǒng)要存儲一定數(shù)量的電能，用以應付突發(fā)事件。隨著電力電子學、材料學等學科的發(fā)展，現(xiàn)代儲能技術(shù)已經(jīng)得到了一定程度的發(fā)展，在分布式發(fā)電中已經(jīng)起到了重要作用。

在新能源技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，如果能在風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電等新能源發(fā)電設備中都配備有儲能裝置，首先，通過儲能元件對機組的出力曲線進行調(diào)整，可以解決新能源發(fā)電自身出力隨機性、不可控的問題，減小新能源出力變化對電網(wǎng)的沖擊；其次，可以在電力充沛時儲存電能，在負荷高峰時釋放電能，達到削峰填谷、減少系統(tǒng)備用需求的作用[1]。儲能與大容量風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合是可再生能源的重要組成部分。風力發(fā)電系統(tǒng)儲能裝置的作用是在風力強時，除了通過風力發(fā)電機組向負荷供電外，將多余的風能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量在儲能裝置中儲存起來在風力弱或無風時，再將儲能裝置中儲存的能量釋放出來并轉(zhuǎn)換為電能，向負荷供電。通過對來自可再生能源的電能的儲存與釋放，將會使廉價的不穩(wěn)定的能源變成穩(wěn)定的具有較高價值的產(chǎn)品。此外，電網(wǎng)負荷有高峰和低谷特性，電力系統(tǒng)的負荷有峰有谷，用電能儲存系統(tǒng)調(diào)節(jié)電力負荷很有必要。尤其在風力發(fā)電廠，由于風有時候起，有時候停，所以高效、安全、可行性高的儲能方法和裝置對于風力發(fā)電場顯得尤為重要[2-3]。

此外，電池儲能技術(shù)為解決電力供應鏈的燃料、發(fā)電、輸電、配電和用電等問題、實現(xiàn)電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展提供了全新的途徑。近年來隨著國家節(jié)能減排政策的實施，儲能已經(jīng)逐漸成為電力生產(chǎn)的第六環(huán)節(jié)。電力系統(tǒng)引入儲能環(huán)節(jié)后，可以有效地實現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負荷，不僅可以更有效地利用電力設備，降低供電成本，還可以促進可再生能源的應用，也可作為提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補償負荷波動的一種手段。

1 儲能技術(shù)分類及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

電能可以轉(zhuǎn)換為化學能、勢能、動能、電磁能等形態(tài)存儲，按照存儲具體方式可分為機械、電化學、電磁、和熱力儲能四大類型。其中機械儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能；化學儲能包括鉛酸、鎳氫、鎳隔、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲能；電磁儲能包括超導、超級電容和高能密度電容儲能；熱力儲能包括熔鹽儲能和熱電儲能等。本文介紹幾種典型儲能技術(shù)的特點以及各自的國內(nèi)外研究動態(tài)。

1.1 抽水儲能

抽水儲能是在電力系統(tǒng)中得到最為廣泛應用的一種儲能技術(shù)，其主要應用領(lǐng)域包括能量管理、頻率控制以及提供系統(tǒng)的備用容量。抽水蓄能電站比鋰離子電池有更好的投資效益比。因為鋰離子電池的價格現(xiàn)在仍然比較貴。從蓄能的觀點看，抽水蓄能電池也許比鋰離子蓄能電池在充放電過程中要多損失一些能量。鋰離子電池的充放電效率可以做到90%、85%，抽水蓄能可能是80%，也許75%。但是抽水蓄能電站不僅可以吸收光伏發(fā)電加風電發(fā)出的電力，而且可以多接收來自天空的“天落水”增加發(fā)電能力。所以抽水儲能的“蓄能”效益，實際上比鋰離子還高。抽水蓄能電站和太陽能、風能相結(jié)合，專門保證高峰用電的供應，從電力的調(diào)配上最為合理。因為水能發(fā)電的最大優(yōu)勢，在于要發(fā)電就發(fā)電，不發(fā)電就不發(fā)電，啟動和關(guān)閉閘門都比較容易。目前，全世界共有超過90 GW的抽水儲能機組投入運行，約占全球總裝機容量的3%，但限制抽水蓄能電站更廣泛應用的重要制約因素是地理位置受限程度大，建設工期長，工程投資較大。

我國抽水蓄能電站面臨高速發(fā)展契機。目前，我國已建成抽水蓄能電站20余座，占全國總裝機容量的1.73%。而一般工業(yè)國家抽水蓄能裝機占比在5%～10%水平，其中日本2006年抽水蓄能裝機占比即已經(jīng)超過10%。我國抽水蓄能電站目前占比明顯偏低，隨著國內(nèi)核電及大型火電機組的投建，近年來國內(nèi)抽水蓄能電站建設明顯加速。目前在建規(guī)模達到約1 400萬kW，擬建和可行性研究階段的抽水蓄能電站規(guī)劃規(guī)模分別達到1 500萬kW和2 000萬kW，如果以上項目順利投產(chǎn)，2020年我國抽水蓄能電站總裝機容量將達到約6 000萬kW。典型的抽水儲能示范工程有惠州抽水儲能電站、十三陵抽水儲能電站等?；葜莩樗畠δ茈娬臼悄壳拔覈畲蟮某樗畠δ苁痉豆こ?，裝機容量為2 400 MW，年發(fā)電量45.62億度，抽水耗電量60.03億kW·h。十三陵蓄能電廠是華北電網(wǎng)最大的抽水蓄能電廠，建在風景秀麗的十三陵水庫旁，北京市中心30余km，共裝有4臺200 MW混流可逆式水輪發(fā)電機組，為華北電網(wǎng)提供可靠的調(diào)頻、調(diào)峰、緊急事故備用電力，為保證首都的政治供電發(fā)揮很重要的作用。

1.2 飛輪儲能

飛輪儲能的原理是電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)物體的機械能，然后進行能量存儲。在儲能階段，通過電動機拖動飛輪，使飛輪本體加速到一定的轉(zhuǎn)速，將電能轉(zhuǎn)化為機械能；在能量釋放階段，電動機作發(fā)電機運行，使飛輪減速，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。飛輪系統(tǒng)運行于真空度較高的環(huán)境中，其特點是沒有摩擦損耗、風阻小、壽命長、對環(huán)境沒有影響，幾乎不需要維護，適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障，是目前最有發(fā)展前途的儲能技術(shù)之一。缺點是能量密度比較低，保證系統(tǒng)安全性方面的費用很高，在小型場合還無法體現(xiàn)其優(yōu)勢，主要應用于為蓄電池系統(tǒng)作補充。在美國，10年前現(xiàn)代飛輪儲能電源商業(yè)化產(chǎn)品開始推廣，風險投資的大量介入，飛輪儲能技術(shù)獲得了成功應用。風電、太陽能發(fā)電本身所固有的隨機性、間歇性特點，決定了其范圍化成長必定會對電網(wǎng)調(diào)峰和體系平安運轉(zhuǎn)帶來明顯影響，必需要有先進的儲能手藝作支持。飛輪儲能技術(shù)發(fā)展到一定程度后，能在很大程度上解決新能源發(fā)電的隨機性、波動性問題，可以實現(xiàn)新能源發(fā)電的平滑輸出，有效調(diào)節(jié)新能源發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化，使大規(guī)模風電和太陽能發(fā)電方便可靠地并入常規(guī)電網(wǎng)，減少溫室氣體排放。

目前，已經(jīng)開發(fā)出大功率飛輪儲能系統(tǒng)，并應用于航空以及UPS領(lǐng)域以Beacon Power為領(lǐng)先水平的研究機構(gòu)正在致力于飛輪儲能的優(yōu)化設計，以便將其用于長過程儲能服務（多達幾個小時），同時降低其商用成本。已有2 kW/6 kW·h的飛輪儲能系統(tǒng)用于通信設備供電，采用飛輪組（flywheel Farm Approach）可以實現(xiàn)輸出功率為兆瓦級、持續(xù)時間為數(shù)分鐘或者數(shù)小時的儲能裝置。機械式飛輪系統(tǒng)也已形成系列產(chǎn)品，如Active Power公司CleanSource系列、Pentadyne公司AvSS系列、Beacon Power公司的25 MW系列。隨著新材料的應用和能量密度的提高，其下游應用逐漸成長，處于產(chǎn)業(yè)化初期[4]。

1.3 壓縮空氣儲能

壓縮空氣技術(shù)在電網(wǎng)負荷低谷期將電能用于壓縮空氣，將空氣高壓密封在報廢礦井、沉降的海底儲氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲氣井中，在電網(wǎng)負荷高峰期釋放壓縮的空氣推動汽輪機發(fā)電[5-6]。壓縮空氣蓄能電站有許多優(yōu)點：改進電網(wǎng)負荷率，提高了經(jīng)濟性，使系統(tǒng)中大型發(fā)電機組的負荷波動減小，提高了可靠性。和抽水蓄能電站相比，壓縮空氣儲能站址選擇靈活，不需建造地面水庫，地形條件容易滿足。壓縮機由電網(wǎng)供電的電動機驅(qū)動，因此汽輪機的輸出功率全部用于發(fā)電，其發(fā)電功率是常規(guī)燃汽輪機電站的3倍。同時由于大量能量儲存在空氣和燃料中，與抽水蓄能電站相比，有很高的能量密度。壓縮空氣蓄能電站在壓縮空氣瞬間即可使用，在無照明的條件下也可以啟動而且啟動快，3分鐘即可從空載達到額定出力，提高了系統(tǒng)的靈活性，適于作旋轉(zhuǎn)備用。壓縮空氣蓄能電站可以積木式地組裝，可以實現(xiàn)模塊化。一座220 MW的電站可用25～50 MW的小型壓縮空氣蓄能電站積木式地逐年擴建發(fā)展。最早實現(xiàn)商業(yè)化運營的壓縮空氣儲能系統(tǒng)建于德國。另一個成功案例是1991年建于美國亞拉巴馬州的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，它把壓縮空氣儲存在地下450 m的廢鹽礦中，可以為110 MW的汽輪機連續(xù)提供26 h的壓縮空氣。壓縮空氣儲能電站的建設受地形制約，對地質(zhì)結(jié)構(gòu)有特殊要求。目前隨著分布式電力系統(tǒng)的發(fā)展，人們對于8～12 MW微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)開始關(guān)注。

2009年壓縮空氣儲能被美國列入未來10大技術(shù)，德、美等國有示范電站投入運營，如1978年德國亨托夫投運的290 MW的壓縮空氣蓄能電站，美國電力研究協(xié)會（EPRI）研發(fā)的220 MW的壓縮空氣蓄能電站。總體而言，目前尚處于產(chǎn)業(yè)化初期，技術(shù)及經(jīng)濟性有待觀察。

1.4 鈉硫電池儲能

鈉硫電池在300℃的高溫環(huán)境下工作，其正極活性物質(zhì)是液態(tài)硫（S）；負極活性物質(zhì)是液態(tài)金屬鈉（Na），中間是多孔性陶瓷隔板。鈉硫電池具有許多特色之處：一是比能量高，其理論比能量為760 Wh/kg，實際已大于100 Wh/kg；二是可大電流、高功率放電；三是充放電效率高，充放電電流效率幾乎100%。太陽能、風能等新能源潔凈無污染，但由于受到地理，時間，天氣等因素影響，發(fā)電功率很不穩(wěn)定。給整個電網(wǎng)帶來不期而至的“洪峰”。鈉硫電池作為一種儲能電池。它的“蓄洪”性能非常優(yōu)異，它可以承受超過額定功率5~10倍的電流，在用電高峰時，可以將儲存的電能以穩(wěn)定的功率釋放到電網(wǎng)中。鈉硫儲能電池更大的作用還在于為整個電網(wǎng)“削峰填谷”。通過“削峰填谷”，可使每噸標準煤所發(fā)的電多利用100度，可帶來經(jīng)濟效益480元。以上海市為例，預計到2015年，電網(wǎng)峰谷差可達16 000 MW，即使只將20%的“谷電”存儲起來，用于高峰時段，其經(jīng)濟效益就超過70億元。然而鈉硫電池在工作過程中需要保持高溫，有一定安全隱患。

鈉硫電池在國外已是發(fā)展相對成熟的儲能電池。其壽命可以達到使用10～15年。日本東京電力公司在鈉硫電池系統(tǒng)開發(fā)方面處于國際領(lǐng)先地位，2002年開始進入商品化實施階段，2004年在Hitachi自動化系統(tǒng)工廠安裝了當時世界上最大的鈉硫電池系統(tǒng)，容量是9.6 MW/57.6 MW·h。2007年日本年產(chǎn)鈉硫電池量已超過100 MW，開始向海外輸出。在國內(nèi)，國家電網(wǎng)公司同中科院上海硅酸鹽研究所合作，2008年完成電池模塊的研制，2009年攻關(guān)百千瓦級儲能設備，2010年實現(xiàn)世博會示范應用，到2011年進入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段。該項技術(shù)極有可能成為首批電化學儲能電站的應用技術(shù)。

1.5 鋰離子電池儲能

鋰離子電池由于兼具高比能量和高比功率的顯著優(yōu)勢，被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ膭恿﹄姵伢w系。目前制約大容量鋰離子動力電池應用的最主要障礙是電池的安全性，即電池在過充、短路、沖壓、穿刺、振動、高溫熱沖擊等濫用條件下，極易發(fā)生爆炸或燃燒等不安全行為。其中，過充電是引發(fā)鋰離子電池不安全行為的最危險因素之一。近年來鋰離子電池作為一種新型的高能蓄電池，它的研究和開發(fā)已取得重大進展。但由于鋰離子電池是一個涉及化學、物理、材料、能源、電子學等多學科的交叉領(lǐng)域，研制中還存在許多問題。運用傳統(tǒng)的電化學研究方法結(jié)合現(xiàn)場、非現(xiàn)場的譜學方法等多種檢測手段，對鋰離子電池體系進行評價、優(yōu)化設計，將會有力地推動鋰離子電池的研究和應用。由于鋰離子電池具有重量輕、儲能容量大、功率大、無污染、壽命長、自放電系數(shù)小、溫度適應范圍廣等優(yōu)點，成為目前世界上大多數(shù)汽車企業(yè)的首選目標和主攻方向，全球已有20余家主流企業(yè)進行車載鋰離子動力電池研發(fā)，如富士重工、三洋電機、NEC、東芝、美國江森自控公司等。能源的大規(guī)模儲存能力對于發(fā)展新能源至關(guān)重要，鋰離子電池在大規(guī)模儲能領(lǐng)域有著很好的應用前景。首先，可以解決電網(wǎng)用電的峰谷調(diào)節(jié)難題；其次，風能、太陽能、潮汐能等清潔能源都是間斷性的能源，鋰電儲能設備配合上述清潔能源的使用，在發(fā)電時儲能，在間斷期間釋放能量，能有效地緩解我國能源緊缺的現(xiàn)狀。鋰離子電池將是繼鎳鎘、鎳氫電池之后，相當長一段時間內(nèi)市場前景最好，發(fā)展最快的一種二次電池。

1.6 液流電池儲能

液流電池的活性物質(zhì)可溶解分裝在兩大儲存槽中，溶液流經(jīng)液流電池，在離子交換膜兩側(cè)的電極上分別發(fā)生還原與氧化反應。此化學反應為可逆的，因此可達到多次充放電的能力。此系統(tǒng)之儲能容量由儲存槽中的電解液容積決定，而輸出功率取決于電池的反應面積。由于兩者可以獨立設計，因此系統(tǒng)設計的靈活性大而且受設置場地限制小。液流電池已有全釩、釩溴、多硫化鈉/溴等多個體系，液流電池電化學極化小，其中全釩液流電池具有能量效率高、蓄電容量大、能夠100%深度放電、可實現(xiàn)快速充放電，壽命長等優(yōu)點，全釩液流電池已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化運作，能夠有效平滑風能發(fā)電功率。在日本運營的容量為4 MW的全釩液流電池為當?shù)?2 MW的風電場提供儲能，并已運行27萬次循環(huán)，世界上還沒有任何其他儲能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求[7]。

20世紀90年代初開始，英國Innogy公司即成功開發(fā)出系列多硫化鈉／溴液流儲能電堆，并建造了儲能電站，用于電站調(diào)峰和UPS。近十多年來，歐美日將與風能／光伏發(fā)電相配套的全釩液流電池儲能系統(tǒng)用于電站調(diào)峰?？梢哉f，以全釩液流電池為代表的液流電池在國外已經(jīng)買入產(chǎn)業(yè)化初期。國內(nèi)也做了一定的技術(shù)儲備，中科院電工所已經(jīng)完成100 kW級全釩液流電池系統(tǒng)部件研制與系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)，擬進行示范工程實施；北京普能通過收購加拿大VRB Power公司成功獲得了國際領(lǐng)先的全釩液流電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，目前正在國內(nèi)建設規(guī)模化生產(chǎn)基地。

1.7 超導磁儲能

超導磁儲能系統(tǒng)（SMES）利用超導體制成線圈儲存磁場能量，功率輸送時無需能源形式的轉(zhuǎn)換，具有響應速度快（ms級），轉(zhuǎn)換效率高（≥96%）、比容量（1～10 Wh/kg）/比功率（104～105 kW/kg）大等優(yōu)點，可以實現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實時大容量能量交換和功率補償。目前，世界上1～5 MJ/MW低溫SMES裝置已形成產(chǎn)品，100 MJ SMES已投入高壓輸電網(wǎng)中實際運行，5 GWh SMES已通過可行性分析和技術(shù)論證。SMES可以充分滿足輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補償、頻率調(diào)節(jié)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和功率輸送能力的要求。和其他儲能技術(shù)相比，超導電磁儲能仍很昂貴，除了超導本身的費用外，維持系統(tǒng)低溫導致維修頻率提高以及產(chǎn)生的費用也相當可觀[8]。

目前，在世界范圍內(nèi)有許多超導磁儲能工程正在進行或者處于研制階段。在美國、日本、歐洲一些國家的電力系統(tǒng)已得到初步應用，在維持電網(wǎng)穩(wěn)定、提高輸電能力和用戶電能質(zhì)量等方面開始發(fā)揮作用。

1.8 超級電容器儲能

超級電容器根據(jù)電化學雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率，充電時處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。超級電容器歷經(jīng)三代及數(shù)十年的發(fā)展，已形成容量0.5～1 000 F、工作電壓12～400 V、最大放電電流400～2 000 A系列產(chǎn)品，儲能系統(tǒng)最大儲能量達30 MJ。但超級電容器價格較為昂貴，目前，在電力系統(tǒng)中多用于短時間、大功率的負載平滑和電能質(zhì)量峰值功率場合，如大功率直流電機的啟動支撐、動態(tài)電壓恢復器等，在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。由于能在充滿電的浮充狀態(tài)下正常工作10年以上，因此超級電容器可以在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。超級電容器安裝簡單，體積小，并可在各種環(huán)境下運行（熱、冷和潮濕），現(xiàn)在已經(jīng)可為低功率水平的應用提供商業(yè)服務。

各種儲能技術(shù)在其能量密度、功率密度和儲能系統(tǒng)容量規(guī)模等方面均具有不同的表現(xiàn)，而同時電力系統(tǒng)也對儲能系統(tǒng)各方面應用提出了不同的技術(shù)要求，很少能有一種儲能技術(shù)可以完全勝任在電力系統(tǒng)中的各種應用。因此，必須兼顧雙方需求，選擇合適的儲能方式與電力應用。儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)能否得到大規(guī)模應用和推廣，首先應該考慮基于該技術(shù)的儲能系統(tǒng)的造價成本、運行及維護成本、運行中安全和可靠性以及規(guī)模能力等因素，此外還需要考慮儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率、系統(tǒng)壽命、動態(tài)性能和冗余調(diào)節(jié)能力等多方面因素。表1分別從額定功率、額定容量、特點及應用場合方面詳細比較了抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能、電容器儲能、超級電容儲能、鉛酸電池儲能、液流電池儲能和鈉硫電池儲能在電力系統(tǒng)中的應用。

表1 應用于電力系統(tǒng)的儲能技術(shù)比較Tab.1 Comparison of energy storage technology in electric power system

2 儲能技術(shù)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應用

儲能技術(shù)是實現(xiàn)靈活用電，互動用電的重要基礎，是實現(xiàn)智能化使用能源，解決能源危機的重要技術(shù)發(fā)展方向，也是發(fā)展智能電網(wǎng)的重要基礎工作。因此，有必要開展先進儲能技術(shù)的發(fā)展研究。

儲能技術(shù)目前在電力系統(tǒng)中的應用主要包括電力調(diào)峰、提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和提高供電質(zhì)量等。能量存儲技術(shù)可以提供一種簡單的解決電能供需不平衡問題的辦法。這種方法在早期的電力系統(tǒng)中已經(jīng)有所應用，例如在19世紀后期紐約市的直流供電系統(tǒng)中，為了在夜間將發(fā)電機停下來，采用了鉛酸蓄電池為路燈提供照明用電。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，抽水儲能電站被用來進行電網(wǎng)的調(diào)峰。抽水蓄能電站在夜晚或者周末等電網(wǎng)負荷較小的時間段，將下游水庫的水抽到上游水庫，在電網(wǎng)負荷峰值時段，利用上游水庫中的水發(fā)電，補充峰荷的需求。液流電池可以用于電站調(diào)峰和UPS，等等[9-11]。

總結(jié)起來，儲能裝置在電網(wǎng)中所發(fā)揮的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）削峰填谷

儲能發(fā)揮削峰填谷的作用，改善了電力系統(tǒng)的日負荷率，使發(fā)電設備的利用率大大提高，從而提高電網(wǎng)整體的運行效率。電力生產(chǎn)過程的連續(xù)性，要求發(fā)、輸、變、配電和用電在同一瞬間完成，因此發(fā)電、供電、用電之間必須隨時保持平衡。并且，電力系統(tǒng)必須有一定的發(fā)電備用容量。電力的需求在白天和黑夜、不同季節(jié)間存在巨大的峰谷差，從建設成本資源保護的角度出發(fā)，通過新增發(fā)輸配電設備來滿足高峰負荷的需求變得越來越困難，用戶對供電的可靠性和調(diào)峰的要求也越來越高。如今，豐富的可再生能源和分布式資源卻得到越來越多的應用，這些特點使得分散的儲能系統(tǒng)的重要性日益增加。如果能夠建立起既經(jīng)濟又反應快速的調(diào)峰電站和大規(guī)模儲能系統(tǒng)，以便將低谷電能轉(zhuǎn)化為高峰電能，是實現(xiàn)發(fā)電和用電間解耦及負荷調(diào)節(jié)的有效途徑，也是電力工業(yè)市場化的前提。同時，還可以減少電網(wǎng)對發(fā)電設備的投資，提高電力設備的使用率，減小線路損耗，提高供電可靠性，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益和社會效益[12-13]。

2）提供應急電源，提高可靠性，改善電能質(zhì)量

在發(fā)生突發(fā)事故和電網(wǎng)崩潰時，為防止醫(yī)院、消防、通信、銀行等重要負荷區(qū)電力中斷，儲能設備將充當不間斷電源/應急電源，可為電網(wǎng)恢復爭取時間，避免損失擴大。同時，可以借助于電力電子變流技術(shù)，實現(xiàn)高效的有功功率調(diào)節(jié)和無功控制，快速平衡系統(tǒng)中由于各種原因產(chǎn)生的不平衡功率，減小擾動對電網(wǎng)的沖擊，改善用戶電能質(zhì)量[14]。文獻[15]介紹了超級電容儲能技術(shù)在分布式發(fā)電中的應用，詳細給出超級電容儲能系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，通過在PSCAD下建模仿真說明了其在解決分布式發(fā)電電能質(zhì)量等問題方面有很好的效果。文獻[16]研究了采用DSTATCOM／BESS來提高電能質(zhì)量的問題，結(jié)果表明，該儲能系統(tǒng)能實現(xiàn)與系統(tǒng)的快速有功、無功功率交換，有效改善電壓波動性，改善電壓暫降、電壓電流波形畸變及閃變等，適用于解決風電并網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題。文獻[17]設計了超級電容器的串并聯(lián)混合型補償方案，該方案通過并聯(lián)系統(tǒng)實現(xiàn)超級電容與系統(tǒng)的功率交換以平滑風電輸出功率，通過串聯(lián)系統(tǒng)有效改善供電電壓可靠性，抑制電壓暫降。

3）一次調(diào)頻，改善電網(wǎng)特性

將儲能設備與先進的電能轉(zhuǎn)換和控制技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的快速控制，改善電網(wǎng)的靜態(tài)和動態(tài)特性[18]。儲能裝置具有轉(zhuǎn)換效率高且動作快速的特點，能夠與系統(tǒng)獨立進行有功、無功的交換。因此，儲能裝置可以根據(jù)系統(tǒng)負荷變化快速調(diào)整出力來穩(wěn)定系統(tǒng)頻率及減少不必要的聯(lián)絡線功率流動。研究表明，儲能裝置的投入可以有效改善系統(tǒng)頻率，解決旋轉(zhuǎn)備用不足的問題。文獻[11]以風能為例，提出將風能等可再生能源作為超導磁儲能（SMES）裝置的充電電源，為可再生能源的使用提出一個新的思路。SMES裝置具有轉(zhuǎn)換效率高且動作快速的特點，能夠與系統(tǒng)獨立進行有功、無功的交換。因此，SMES裝置可以根據(jù)系統(tǒng)負荷變化快速調(diào)整出力來穩(wěn)定系統(tǒng)頻率及減少不必要的聯(lián)絡線功率流動。仿真結(jié)果證明，SMES裝置的投入可以有效改善系統(tǒng)頻率，解決旋轉(zhuǎn)備用不足的問題。文獻[19]研究了采用超導儲能系統(tǒng)改善頻率穩(wěn)定性問題，仿真結(jié)果表明，超導儲能系統(tǒng)在文中既定的條件下使得系統(tǒng)的最大頻率偏差降低，有效改善了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，且超導儲能系統(tǒng)容量越大系統(tǒng)頻率偏差越小。

4）滿足可再生能源系統(tǒng)的需要

受自然條件限制，可再生能源發(fā)電具有很大的隨機性，直接并入電網(wǎng)會對系統(tǒng)造成一定的沖擊，增加系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素。因此，通過研發(fā)高效儲能裝置及其配套設備，與風電、光伏發(fā)電機組容量相匹配，支持充放電狀態(tài)的迅速切換，確保并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定已成為可再生能源充分利用的關(guān)鍵。儲能技術(shù)將在平抑、穩(wěn)定風能發(fā)電或太陽能發(fā)電的輸出功率和提升新能源的利用價值方面發(fā)揮重要作用。風電、光伏等可再生能源發(fā)電設備的輸出功率會隨環(huán)境因素變化，儲能裝置可以及時地進行能量的儲存和釋放，保證供電的持續(xù)性和可靠性。在風力發(fā)電中，風速的變化會使原動機輸出機械功率發(fā)生變化，從而使發(fā)電機輸出功率產(chǎn)生波動而使電能質(zhì)量下降。應用儲能裝置是改善發(fā)電機輸出電壓和頻率質(zhì)量的有效途徑，同時增加了分布式發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)運行時的可靠性。分布式發(fā)電系統(tǒng)可以與電網(wǎng)連接，實現(xiàn)向電網(wǎng)的饋電，并可以提供削峰、緊急功率支持等服務。而一些可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)，受環(huán)境因素的影響較大，因此無法制訂特定的發(fā)電規(guī)劃。如果配置能量儲存裝置，就可以在特定的時間提供所需的電能，而不必考慮此時發(fā)電單元的發(fā)電功率，只需按照預先制定的發(fā)電規(guī)劃進行發(fā)電。文獻[20-23]分別研究了超導儲能和超級電容儲能系統(tǒng)用于平滑風電場有功輸出的性能及相關(guān)控制策略，結(jié)果表明，超導儲能和超級電容儲能系統(tǒng)能有效改善風電輸出功率及系統(tǒng)的頻率波動。文獻[24，25]針對變速風電機組設計了附加頻率控制環(huán)節(jié)，分別通過對轉(zhuǎn)子和風輪機的附加控制，使得DFIG對系統(tǒng)的一次調(diào)頻有所貢獻。針對這些控制方案將降低風電機組效率的缺陷，文獻[26]提出了采用飛輪儲能系統(tǒng)輔助風電機組運行，通過對飛輪儲能系統(tǒng)的充放電控制，實現(xiàn)平滑風電輸出功率、參與電網(wǎng)頻率控制的雙重目標，并通過仿真驗證了方案的可行性。

3 結(jié)語

綜述了世界范圍內(nèi)的儲能技術(shù)，包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、鈉硫電池儲能、鋰離子電池儲能、液流電池儲能、超導儲能、超級電容器儲能等，介紹了各種儲能技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及儲能技術(shù)在提高可再生能源利用率以及電力系統(tǒng)各個方面的應用前景。儲能技術(shù)對解決電力系統(tǒng)的供電壓力，改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高供電質(zhì)量提供了新的思路和有效的技術(shù)支持。也正因為如此，目前世界各國，特別是發(fā)達的國家，都在積極開展各方面的儲能研究，并將其用于電力系統(tǒng)的實際。我們應該充分利用我國電力工業(yè)大發(fā)展的良好機遇，積極開展這一領(lǐng)域的研究，為我國電力系統(tǒng)安全高效運行提供新的技術(shù)支持。

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